KR101721183B1 - 에나멜 분말, 에나멜 피막이 제공된 표면 구획을 구비하는 금속 부품 및 그와 같은 금속 부품을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

에나멜 분말, 에나멜 피막이 제공된 표면 구획을 구비하는 금속 부품 및 그와 같은 금속 부품을 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

높은 기계적 및 열적 부하 능력을 구비하고 그와 동시에 양호하게 기계 가공될 수 있는 피막을 제조하기 위한 에나멜 분말은, 본 발명에 따라, 글라스 분말 100 중량부와, 선택적으로 글라스 분말 입자보다 큰 조대 글라스 입상체 10 중량부 내지 22 중량부와, 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유 0.1 중량부 내지 7.5 중량부와, 서로 대안적이거나 서로 조합된 경금속의 분말형 산화 화합물 10 중량부 내지 21 중량부 및 경금속의 분말 1 중량부 내지 5 중량부를 포함하는 혼합물로서 구성된다. 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 제조된 피막이 제공된 금속 부품은, 접촉하는 고온 가스의 흐름에 신뢰성 있게 견딘다. 따라서, 본 발명에 따른 피막은 고온 가스 흐름에 노출된 내연 엔진용 코팅 부품에 특히 적합하다. 또한, 본 발명은 그와 같은 금속 부품에 에나멜 피막을 제공할 수 있는 방법을 규정한다.

Description

에나멜 분말, 에나멜 피막이 제공된 표면 구획을 구비하는 금속 부품 및 그와 같은 금속 부품을 제조하기 위한 방법{ENAMEL POWDER, METAL COMPONENT HAVING A SURFACE PORTION PROVIDED WITH AN ENAMEL COATING AND METHOD FOR PRODUCING SUCH A METAL COMPONENT}
본 발명은, 에나멜 분말과, 에나멜 피막이 제공된 표면 구획(surface section)을 구비하는 금속 부품(metal component)과, 그와 같은 금속 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
수세기 동안 공지되어 있는 강 및 동으로 이루어진 부품을 에나멜로 코팅(enamelling)하기 위한 수단과 더불어, 논문 "경금속을 에나멜로 코팅하는 수단 및 한계(Moglichkeiten und Grenzen der Emaillierung von Leichtmetallen)"[공학박사 볼프강 쿤(Dr.-Ing. Wolfgang Kuhn) 저술, 오베르플라켄 폴리서피시스(Oberflachen Polysurfaces), 2/09호, 6 - 9 페이지]에 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄과 같은 경금속으로 이루어진 부품의 에나멜 코팅은 지난 세기의 중반부터 그 중요성이 계속 증가하여 왔다. 여기에서, 기술적 관점에서는, 부식적 침식으로부터 부품 표면의 보호가 우선적 과제이다.
상기 논문에 추가로 설명되어 있는 바와 같이, 에나멜 피막은, 특히 용융 온도 및 열 팽창 계수와 관련하여, 피막을 위하여 제공된 기재(substrate)에 적용되는 글라스 층이다. 이는 글라스 표면의 물성을 금속의 재료 물성 및 처리성(processing property)과 조합한다. 다른 피막과는 대조적으로, 글라스-금속 복합체는 각각의 에나멜 피막이 소성되었을 때에 복합화되는데, 소성 시에, 글라스 재료와 금속 기재 사이에 중간 층, 이른바 금속간화합물 상(intermetallic phase)이 형성된다. 이러한 중간 층은 피막이 금속에 특히 강력하게 결합되는 것을 보장한다. 이러한 목적으로, 근래의 에나멜은, 공융 시스템(eutectic system)의 활용에 의하여, 낮은 소성 온도(firing temperature)에서 매우 양호한 기계적 경도 및 화학적 저항성을 달성하는 다성분 혼합물이다. 에나멜이 코팅된 피처리물(workpiece)은, 예를 들면 굽힘, 절단(sawing) 또는 천공에 의하여 가공되며, 예를 들면 경질의 스크래치-저항성 에나멜 피막에 온도-저항성 비-점착 효과(non-stick effect)를 부가하기 위하여, 기능성 나노스케일 졸-겔 층(functional, nanoscale sol-gel layer)이 추가로 제공된다.
또한, 독일 공개 특허 공보 제DE 10 2010 025 286 A1호부터, 내연 엔진용 실린더 헤드와 같은 경금속 주조 부재의 배출 가스 도관의 내측 표면은, 글라스 재료로 이루어진 피막으로 적어도 부분적으로 코팅됨으로써, 과도한 열적 스트레스에 대하여 효과적으로 보호될 수 있다는 점이 공지되어 있다. 실제로 이러한 방안을 적용할 때에, 피막은 한편으로는 작동 중에 발생하는 기계적 및 열적 부하에 신뢰적으로 견디어야 하고, 다른 한편으로는 코팅된 표면 구획에 접하는 각각의 부품의 구획들이 피막 파쇄(coating chipping)의 우려 없이 가공될 수 있어야 한다는 사실에 의하여, 특별한 과제가 설정된다.
위에 언급된 종래 기술을 배경으로 하여, 본 발명의 목적은, 높은 기계적 및 열적 부하에 신뢰적으로 견딜 수 있고 처리 중에 기계 가공에 또한 적합한 피막이 금속 부품 상에, 특히 경금속 부품 상에 제조될 수 있게 하는 코팅 재료를 제공하는 것이다. 또한, 그에 따라 구성된 피막이 적어도 하나의 표면 구획 상에 제공된 금속 부품과, 그와 같은 금속 부품을 제조하기 위한 방법이 규정되어야 한다.
코팅 재료와 관련하여, 위에 기재된 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 규정된 구성물(constituent)을 포함하는 에나멜 분말에 의하여 달성된다.
금속 부품과 관련하여, 위에 기재된 목적은 청구항 6에 규정된 특징을 갖는 그와 같은 금속 부품에 의하여 달성된다.
마지막으로, 방법과 관련하여, 위에 기재된 목적은, 에나멜 피막이 제공된 적어도 하나의 표면 구획을 구비하는 금속 부품을 제조할 때에, 본 발명에 따라 청구항 12에 기재된 방법 단계들을 실시함으로써 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태들은 종속 청구항들에 규정되어 있으며, 이하에 본 발명의 포괄적 사상과 함께 상세히 설명되어 있다.
본 발명에 따른 에나멜 분말은, 글라스 분말 100 중량부(part)와, 선택적으로, 글라스 분말 입자보다 큰 조대 글라스 입상체(coarse glass granulate) 10 중량부 내지 22 중량부와, 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유 0.1 중량부 내지 7.5 중량부를 포함하고, 경금속의 분말형 산화 화합물(powdery oxidic compound) 10 중량부 내지 21 중량부 및 중금속의 분말 1 중량부 내지 5 중량부를 서로 대신하여 또는 서로 조합하여 포함하는 혼합물로서 존재한다.
여기에서 배합 계량치(dosing measure)로서 "중량부(part)"가 언급된 경우에, 이는, 에나멜 기술 분야에서 일반적인 바와 같이, 모든 구성물에 대하여 동일한 단위 계량치(unit measure)로서 측정된 에나멜 분말에 첨가된 각각의 구성물의 양으로서 이해되어야 하고, 이러한 단위 계량치의 각각의 배수를 나타내는 개별 구성물들에 대하여 본 발명에 따라 각각 제공된 "중량부"로서 이해되어야 한다. 따라서, 여기에서 사용된 "중량부" 단위의 데이터는, g 또는 kg과 같은 임의의 소정 중량 단위에 기초하는 정량 데이터이다(즉, 용적 데이터가 아니다). 각각의 중량 단위는 각각 필요한 전체 양의 함수로서 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 에나멜 분말이 1 킬로그램 미만의 범위 내에서 단지 소량으로 필요한 경우에는, 기준 단위로서 "그램(gramme)"이 선택된다. 따라서, 글라스 분말 100g과, 선택적으로 글라스 분말 입자보다 큰 조대 글라스 입상체 10g 내지 22g과, 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유 0.1g 내지 7.5g과, 서로 대안적이거나 조합되는 경금속의 분말형 산화 화합물 10g 내지 21g 및 중금속의 분말 1g 내지 6g이 혼합되어, 본 발명에 따른 에나멜을 형성한다. 한편, 500kg 규모의 양이 필요한 경우에는, 본 발명에 따른 에나멜 분말 규격(enamel powder formulation)의 각 "중량부"에 예를 들면 "5kg" 정량 단위가 배정될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 글라스 분말 500kg과, 선택적으로 글라스 분말 입자보다 큰 조대 글라스 입상체 50kg 내지 110kg과, 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유 0.5kg 내지 37.5kg과, 서로 대안적이거나 조합되는 경금속의 분말형 산화 화합물 50kg 내지 105kg 및 중금속의 분말 5kg 내지 25kg이 혼합되어, 본 발명에 따른 에나멜을 형성한다.
본 발명에 따른 에나멜 분말의 각각의 구성물들은 다음과 같이 정의된다.
a) 글라스 분말
글라스 분말은 본 발명에 따른 에나멜 분말의 주원료(basis)이고, 본 발명에 따라 구성되어 금속 부품의 각각의 표면 구획에 제조되는 에나멜 피막의 모재(matrix)를 형성하며, 모재 내에는 에나멜 분말의 기타 구성물들이 매립되어 있다.
이러한 목적으로 종래 기술에서 일반적으로 사용되는 유형의 글라스가 글라스 분말로서 사용될 수 있다. 그와 동시에, 각 경우에 본 발명에 따른 에나멜 분말에 의해 형성된 에나멜 피막으로 코팅될 표면 구획이 존재하는 기재 재료에 비하여, 열 팽창 계수가 작은 글라스의 유형으로 이루어진 글라스 분말이 본 발명에 적합하다. 에나멜 피막의 소성 도중에 각각의 금속 기재가 손상되거나 변형되는 것을 방지하기 위하여, 그와 같은 유형의 글라스로 제조된 글라스 분말은, 기재 재료의 용융 온도가 나타내는 온도 범위보다 낮은 온도에서 용융되어야 한다.
경금속의 표면 구획에 도포되었을 때에 전형적으로 허용 가능한 글라스 분말의 용융 온도는, 480oC 내지 650oC의 범위, 특히 540oC 내지 580oC 또는 510oC 내지 540oC의 범위 내이다.
경금속 재료 및 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 제조된 실제 피막의 용융 온도에 비하여, 에나멜 피막이 제공된 표면에서 각각의 부품이 작동 중에 노출되는 온도가 훨씬 높으면, 주원료로서 그와 같은 글라스 분말로 제조되고 기타 특성에 있어서는 본 발명에 따라 구성된 에나멜 피막은, 경금속으로 제조된 부품의 표면에 도포되었을 때에, 열적 및 기계적 부하를 신뢰적으로 견디고 경금속 기재를 신뢰적으로 보호한다는 점이 명확해진다. 따라서, 본 발명에 따른 에나멜 분말은, 경금속 재료, 특히 알루미늄 재료로 제조된 내연 엔진을 위한 부품에 있어서 사용 중에 고온 배출 가스 흐름에 노출되는 부품의 표면을 코팅하는 데에 특히 적합하다. 그와 같은 유형의 부품은 실제로는 주조에 의하여 정규적으로 제조된다.
그러나, 본 발명에 따른 에나멜 분말은, 고온 가스 흐름에 노출된 표면 구획을 코팅하는 데에 적합할 뿐만 아니라, 금속 부품의 외측에 위치하는 표면을 코팅하는 데에도 사용될 수 있다. 작동 중에 고온으로 가열되는 부품의 경우에, 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 형성된 피막은 열 복사(heat radiation)를 감소시키는 역할을 할 수 있다.
금속 부품의 표면은, 본 발명에 따른 에나멜 분말로 일정하게 코팅될 수 있으며, 코팅 후에는 매우 매끄러운 표면을 구비하게 된다. 그와 같은 표면은, 예를 들면 유체가 금속 부품의 도관을 통과하여 흐르는 경우에 제공될 수 있거나, 작동 중에 흐르는 유체에 노출되는 기타 부품 구획 상에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 제조된 피막은 침식 환경(aggressive environment) 내에서 의도적 방식으로 표면을 보호할 수 있는데, 그 표면에는 본 발명에 따라 부식을 방지하도록 제조된 에나멜 피막이 각각 제공된다.
본 발명에 따른 에나멜 분말의 주원료를 형성하는 글라스 분말의 입자(particle)의 입자 크기(grain size)(평균 직경)는 5μm 내지 40μm의 범위 내에 있으며, 실용에 있어서는 입자 크기가 평균적으로 25μm인 글라스 분말이 특히 적합한 것으로 입증되었다.
b) 조대 글라스 입상체
본 발명에 따른 에나멜 파우더로부터 제조된 에나멜 피막에 더욱 향상된 균열 형성 저항성을 제공하기 위하여, 본 발명에 따른 에나멜 파우더에는 10 중량부 내지 22 중량부의 조대 글라스 입상체가 선택적으로 첨가될 수 있다. 본 발명에 따른 에나멜 분말의 주원료를 형성하는 글라스 분말의 최대 입자보다 큰 글라스 입자들이 "조대 글라스 입상체"라고 지칭된다. 따라서, 전형적으로, 평균 직경이 40μm를 초과하는 글라스 입상체들이 조대 글라스 입상체에 포함된다. 그와 동시에, 본 발명에 따른 에나멜 분말에 의하여 본 발명에 따라 제조된 피막이 과도하게 거칠어지는 것을 방지하기 위하여, 조대 글라스 입상체는 500μm를 초과하지 않아야 한다.
에나멜 피막이 소성될 때에, 조대 입상체는 비교적 큰 용적으로 인하여 완전히 용융되지 않으며 기본 구조를 유지한다. 실제 사용에 있어서, 에나멜 피막에 균열이 형성되면, 본 발명에 따른 에나멜 피막 내에 존재하는 조대 입상체는, 각각의 균열이 극복할 수 없는 일종의 장벽(barrier)으로서 작용함으로써 균열의 추가 성장(expansion)을 방지한다. 이러한 방식으로, 균열의 전진이 억제되고, 피막이 더욱 손상되는 것이 방지된다.
본 발명에 따른 에나멜 분말과 동일하게 구성된 글라스 입자가 조대 글라스 입상체로 사용될 수 있다. 그와 같은 에나멜 분말로부터 제조된 조대 글라스 입상체는 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 제조된 피막의 조성과 물성에 대응하는 조성과 물성을 갖는다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따라 제조된 피막은, 조대 글라스 입상체의 존재에도 불구하고, 최대한으로 균일한 물성 및 동등하게 일정한 거동을 나타내도록 보장된다. 본 발명에 따른 에나멜 분말을 제조하는 중에 프리트(frit)로서 이미 첨가되어 있는 그러한 조대 글라스 입상체는, 본 발명에 따른 에나멜 분말에 특히 적합한 것으로 입증되었다. 그와 같은 프리트 글라스 입상체(fritted glass granulate), 즉 완전히 용융되지 않은 글라스 입상체는, 본 발명에 따른 에나멜 분말에 의해 제조된 에나멜 피막 내의 조대한 균열의 형성 방지와 관련하여 특히 효과적인 것으로 입증되었다.
조대 글라스 입상체의 효과가 바람직한 신뢰도로 발현되도록, 본 발명에 따른 에나멜 분말은 10 중량부 내지 22 중량부의 그러한 글라스 입상체를 포함하며, 본 발명에 따른 에나멜 분말에 적어도 15 중량부의 조대 글라스 입상체가 첨가되면, 최적의 효과가 나타난다.
c) 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유
본 발명에 따른 에나멜 분말 내에 존재하는 섬유는 특별한 중요성을 갖는다. 섬유들은, 실제 사용 중에 일어나는 온도 변동 및 기계적 압력 부하로 인하여 발생할 수 있는 높은 응력 하에서도, 본 발명에 따른 분말로부터 형성된 에나멜 피막이 신뢰적으로 함께 유지되도록 보장한다.
이러한 기능을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 에나멜 섬유 내에는, 0.1 중량부 내지 7.5 중량부, 특히 적어도 2 중량부 또는 적어도 3.5 중량부 내지 7.5 중량부의 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유가 존재하며, 세라믹 섬유, 글라스 섬유 및 탄소 섬유는 별도로 각각 첨가될 수 있거나 혼합물로서 첨가될 수 있다. 본 발명에 따른 분말 내에 4 중량부 내지 6 중량부의 섬유 재료들이 존재하면, 최적의 효과가 나타낸다.
원칙적으로, 10μm 내지 9000μm의 섬유 길이를 갖는 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유가 본 발명에 따른 에나멜 분말에 적합하다. 긴 섬유 길이는 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 형성된 에나멜 피막의 응집(cohesion)과 관련하여 바람직한 것으로 입증되었지만, 가공성(workability)을 손상시킬 수 있다. 섬유 길이가 10μm보다 작으면, 강화 효과(reinforcing effect)가 너무 약하다. 10μm 내지 1000μm의 길이를 갖는 섬유는 충분히 효과적인 것으로 입증되었고, 그와 동시에 양호한 가공성을 보장하는 것으로 입증되었다.
탄소 섬유에 대해서는, 상용화되어 있는 섬유들이 사용될 수 있다. 세라믹 섬유 및 글라스 섬유에 대해서도 마찬가지이며, 여기에서 실리콘 탄화물 섬유 또는 다양한 조성의 글라스 섬유들이 예로서 거론될 수 있다.
d) 경금속의 산화 화합물 또는 중금속의 분말
각각의 의도된 용도와 관련하여 중요하지 않은 영역 내에 에나멜 분말로부터 형성된 피막의 용융 점을 이동시키기 위하여, 본 발명에 따른 에나멜 분말 내에는, 경금속의 분말형 산화 화합물 또는 중금속의 분말이 동시에 또는 대안적으로 존재할 수 있다.
이러한 방식으로, 경금속 부품 상에는, 각각의 경금속의 용융 온도와 관련하여 임계적이지 않은 소성 조건으로 형성되되, 실제 사용에 있어서는 발생하는 최대 온도를 안전하게 견딜 수 있도록 온도-저항성이 있는 에나멜 피막이 제조될 수 있다.
이러한 효과를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 에나멜 분말은 10 중량부 내지 21 중량부, 특히 12 중량부 내지 17 중량부의 경금속의 분말형 산화 화합물 및/또는 1 중량부 내지 5 중량부, 특히 2 중량부 내지 4 중량부의 중금속의 분말을 포함한다.
이와 관련하여, 밀도가 5g/cm3 이하인 금속이 "경금속"으로 이해되어야 한다. 경금속에는, 특히 Al, Ti 및 Mg가 포함된다.
이러한 경금속의 산화물들 중에서, Al 산화물은 2000oC를 초과하는 높은 용융 점을 나타내므로, 본 발명에 따른 에나멜 내에 사용하기에 특히 적합하다. 그러나, 특히 경금속 부품을 코팅할 때에는, Ti 산화물 등으로 이루어진 분말과 같은 기타 경금속 산화물 분말이 사용될 수 있으며, 그 용융 점은 각 경우에 1000oC보다 높으므로 경금속 기재의 용융 온도 범위를 명백히 초과한다.
에나멜 분말로부터 형성된 비정질 피막 재료(amorphous coating material)의 양과 관련하여, 경금속 산화물이 30%까지의 양으로 존재하면, 각각 제공된 경금속 산화물은, 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 제조된 에나멜 피막의 물성에 최적의 방식으로 영향을 미칠 수 있다.
적어도 5g/cm3의 밀도를 갖는 모든 금속 및 그 합금은 "중금속"으로 간주된다. 모든 철계 재료, 특히 합금 강(alloyed steel)으로 이루어진 금속 분말은 중금속에 포함된다. 명칭 "V2A" 및 "V4A"로 공지되어 있고 재료 번호 1.4301 및 1.4401로 표준화되어 있는 강 X5CrNi18-10 및 X5CrNiMo17-12-2와 같은 고급 강(high-grade steel)으로 이루어진 금속 분말은 특히 적합한 것으로 입증되었다. 여기에서, 각각 금속 분말의 용융 점이 1000oC를 초과함으로써, 소성 공정 중에 금속 분말의 물성에 어떠한 변화도 일어나지 않으면, 바람직한 것으로 또한 입증되었다.
비정질 피막 재료의 양과 관련하여, 중금속 또는 그 합금의 금속 분말이 10%까지의 양으로 존재하면, 금속 분말은 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 제조된 에나멜 피막의 물성에 최적의 방식으로 영향을 미칠 수 있다.
본 발명에 따른 에나멜 분말에 첨가되는 각각의 금속 분말 또는 각각의 경금속의 분말형 산화물의 입자의 평균 직경은 전형적으로 10μm 내지 500μm의 범위 내에 있어야 한다.
e) 기타 구성물
물론, 본 발명에 따른 에나멜 분말 내에는, 앞에 기재된 구성물뿐만 아니라, 에나멜 피막을 제조하기 위하여 전형적으로 필요한 다른 첨가제들도 선택적으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 붕산, 가성 칼리 용액(caustic potash solution), 물유리(water glass) 또는 탈염수(demineralised water)가 이에 포함된다.
본 발명에 따른 에나멜 분말은, 특정 양의 각각의 구성물들을 서로 혼합하고 균일한 분말이 얻어질 때까지 함께 분쇄함으로써 제조될 수 있다. 분쇄 공정의 종료 시에 완전히 분쇄된 분말 내에서, 조대 글라스 입상체는 완전히 분쇄되지 않고 본 발명에 따라 필요한 크기로 계속 존재하도록, 분쇄될 재료에 상당히 나중에 첨가될 수 있다. 동일한 방식으로, 섬유도 분쇄 공정의 종료 시에 완전히 분쇄되지 않고 필요한 길이로 존재하도록, 분쇄 공정 중에 분쇄될 재료에 시간적으로 나중에 첨가될 수 있을 뿐이다.
대안적으로, 본 발명에 따른 에나멜 분말은, 필요한 입자 크기로 각각 미리 제조된 구성물들과 혼합될 수도 있다.
앞에 기재되어 있는 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 제조된 에나멜 피막의 물성을 활용함으로써, 실제 사용 중에 노출되는 열적 및 기계적 부하에 대하여 보호하기 위하여, 본 발명에 따른 금속 부품은, 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 형성된 에나멜 피막으로 코팅된 표면을 구비한다. 본 발명에 따라 코팅된 각각의 표면은, 접촉하여 흐르는 고온 가스, 특히 내연 엔진의 배출 가스에 기인하는 높은 열적 및 기계적 부하를 견디어야 하는데, 본 발명은 그러한 금속 부품에 특히 바람직한 것으로 입증되었다.
본 발명에 따라 구성되어 제조된 피막은, 그 구성물에 의하여, 변동하는 열적 및 기계적 부하에 대하여 높은 내구성을 구비하는 무기질의 비-금속성 비정질 재료이다. 조대한 글라스 입자가 존재하므로, 처리 중에, 피막 내에 작은 균열이 존재하더라도, 큰 균열은 발생하지 않으며 피막은 각각의 표면 구획에 계속 부착되도록 보장된다. 그와 동시에, 본 발명에 따라 제공된 에나멜 피막 내에 존재하는 섬유는, 에나멜 피막이 높은 응력 하에서도 함께 유지되도록 보장한다.
본 발명에 따라 구성된 에나멜 피막은, 그 구성물에 의하여, 기본적으로 인장 강도보다 높은 압력에 대한 저항성을 갖는다. 따라서, 에나멜 피막으로 코팅된 표면 구획 내의 금속 부품의 팽창 계수보다 에나멜 피막의 팽창 계수가 작도록, 본 발명에 따라 규정된 한계 내에서 설정된 에나멜 분말의 조성에 의한 피막으로 각각 코팅된 표면 구획에 의하여, 에나멜 피막의 균열 형성 및 파쇄의 경향이 더욱 최소화될 수 있다.
본 발명에 따른 에나멜 분말은, 경금속 또는 경금속 합금으로 이루어진 금속 부품 상에 에나멜 피막을 형성시키는 데에 특히 적합하다. 이는 특히 주조에 의해 제조된 그러한 금속 부품에 대해서도 마찬가지이다. 따라서, 본 발명에 따른 방식으로, 특히 경금속 주조 부재, 특히 알루미늄 주조 부재의 표면 구획이 코팅될 수 있다. 경제적 및 기술적 관점에서 특히 중요한 본 발명에 따른 유형의 에나멜 피막의 용도는, 내연 엔진의 제조용으로 예정된 경금속 주조 부재 상의 표면 구획의 피막이다. 예를 들면, 배출 가스를 방출하는 실린더 헤드의 도관, 터보차저 하우징(turbocharger housing) 등의 내측 표면이 이에 해당한다.
본 발명에 따른 방법은, 본 발명에 따른 금속 부품을 제조하기 위하여, 일반적으로 이하의 제조 단계들을 포함한다.
- 금속 부품을 제공하는 단계,
- 각각 코팅될 금속 부품의 표면 구획에, 본 발명에 따른 에나멜 분말 및 슬립 수단(slip means)을 이용하여 형성된 에나멜 슬립(enamel slip)을 도포하는 단계 및
- 금속 부품을 구성하는 재료의 용융 온도보다 낮은 온도에서 에나멜 슬립을 소성함으로써, 에나멜 피막을 제조하는 단계.
슬립 수단으로는, 예를 들면 탈염수가 적합하다. 또한, 염화마그네슘, 아질산나트륨, 붕산, 가성 칼리 용액 또는 물유리와 같은 추가 첨가제가 에나멜 슬립 내에 설정제(set-up agent)로서 존재할 수 있다.
슬립은 각각 코팅될 표면에 도포되며, 예를 들면 분무, 침액(flooding) 또는 스프레딩(spreading)에 의하여 표면에 도포된다. 침액은, 좁은 도관, 오목부(recess) 및 공동(cavity)의 내측 표면 상에 에나멜 피막을 도포하는 데에 특히 적합하다. 이는 예를 들면 내연 엔진용 부품 내에 존재하는 도관과 같은 좁은 배출 가스 도관에 적용된다. 피막 두께는 각각의 용도에 적합하게 조정될 수 있다. 따라서, 필요하다면, 그 두께는 0.5mm를 초과할 수 있고, 특히 1mm까지의 범위 내일 수 있다. 300μm 내지 600μm의 피막 두께는, 예를 들면 현행 요건에 충분한 것으로 입증되었다. 그러나, 높은 열적 및 기계적 부하의 경우에는, 피막과 접촉하여 흐르는 고온 가스의 영향에 대하여 각각의 금속 기재를 보호하기 위하여, 더욱 두꺼운 피막 두께가 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 그와 같은 경우에는, 두께가 0.6mm를 초과하는 에나멜 피막, 특히 최대 0.75mm, 최대 1mm, 최대 1.5mm 또는 최대 2mm 두께의 에나멜 피막이 바람직할 수 있다.
150μm 이상의 두꺼운 피막 두께를 갖는 피막은 2개 이상의 피막을 도포함으로써 형성될 수 있으며, 각각의 피막은 1회의 공정 주기(pass)로 각각 도포될 수 있다. 그와 같이 실시함에 있어서, 본 발명에 따른 에나멜 분말로부터 최상측 덮개 피막(uppermost cover coat)이 형성되고, 덮개 피막 사이에, 종래 기술에서 이러한 목적으로 이미 사용된 하도 에나멜(ground enamel)로 이루어진 하나 이상의 피막이 존재하는 피막 구조가 형성될 수 있다. 기능성 피막(functional coat)으로서 본 발명에 따른 에나멜 피막으로 이루어진 덮개 피막은, 전체 피막의 외측 마감부(outer finish)를 형성한다.
에나멜 피막이 금속 부품의 각각의 표면 구획에 최적의 방식으로 결합하도록 보장하기 위하여, 에나멜 피막으로 코팅될 금속 부품의 표면은 에나멜 슬립의 도포 전에 표면 처리될 수 있으며, 표면 처리 시에, 표면 구획이 탈지되고(degreased) 부동태화되며(passivated), 표면 구획 상에 존재하는 표면 근방의 산화 층이 파쇄된다. 산화 층은, 예를 들면 블래스팅(blasting), 기계적 조면화(mechanical roughening up) 등에 의하여 파쇄될 수 있다.
본 발명에 따른 에나멜 피막이 경금속 부품 상에 제조되면, 소성은, 에나멜 슬립이 아직 습윤되어 있고 완전히 건조되지 않은 상태에서 최적으로 실시된다.
에나멜 피막의 소성은, 각 경우에 코팅될 표면 구획을 구성하는 금속 재료의 용융 온도보다 낮은 온도에서 실시된다. 알루미늄으로부터 제조된 부품의 경우에, 소성 온도는 전형적으로 480oC 내지 650oC, 특히 510oC 내지 540oC의 범위 내에 있다.
소성은 별도의 제조 단계로서 실시될 수 있으며, 글라스 모재가 용융되어 금속 기재에 결합할 수 있도록 하기 위해서는, 도포된 에나멜이 소성 온도까지 잠시 가열되기만 하면 되므로, 각 경우의 공정 중에 단시간이 소요될 뿐이다.
대안적으로, 소성은, 기계적 또는 기타 물성을 설정하기 위하여 각각의 금속 부품에 실시되는 열 처리 단계와 조합되어 실시될 수도 있다. 알루미늄 주조 부재 또는 기타 경금속 주조 부재의 경우에, 여러 적용 분야에서 요구되는 용체화 소둔(solution annealing)이 예를 들면 이에 해당하며, 각각의 주조 부재는 소성 공정에 적합한 온도 범위에서 유지된다.
본 발명에 따라 제조된 에나멜 피막의 특별한 장점에 의하면, 그와 같은 방식으로 코팅된 금속 부품에는, 에나멜 슬립의 소성 후에, 형성된 에나멜 피막이 제공된 표면 구획의 영역 내에 에나멜 피막을 파손시키지 않으면서 기계 가공이 실시될 수 있다.
도 1은, 실린더 헤드가 뻗어 있는 종방향에 대하여 횡방향으로 정렬된 단면 내에, 실린더 헤드의 절단면도(cutaway drawing)를 나타낸다.
이하에는, 예시적 실시 형태를 나타내는 도면이 참조되어, 본 발명이 더욱 상세히 설명되어 있다.
이러한 목적으로 불꽃 점화 엔진 또는 디젤 엔진용으로 일반적으로 사용되는 알루미늄 주조 재료, 예를 들면 AlSi 11 합금으로부터 주조된 실린더 헤드(1)는 평탄한 접촉 표면(2)을 구비하며, 사용 중에 이 표면에 의하여, 도면에 도시되어 있지는 않으나 적절히 삽입된 실린더 헤드 개스킷을 사이에 두고, 마찬가지로 도면에 도시되어 있지 않은 각각의 내연 엔진의 엔진 블록 상에 안착된다. 내연 엔진은 연속적으로 배치된 연소 체임버들을 구비하며, 그 체임버들의 내측에는 도면에 도시되어 있지 않은 피스톤들이 상하로 이동한다.
내연 엔진의 실린더의 개수에 상응하는 다수의 돔-형상의 오목부(3)들이 접촉 표면 내로 성형되어 있으며, 내연 엔진의 피스톤의 행정 방향(stroke direction)으로 내연 엔진의 연소 체임버의 상측 단부(upper closure)를 형성한다.
각 경우에 실린더 헤드(1)의 하나의 종방향 측부(4')로부터 제공된 흡기 포트(intake port)(5)가 오목부(3) 내로 개방되어 있고, 흡기 포트를 통하여, 작동 중에 연료-공기 혼합물이 연소 체임버 내로 수용된다. 동시에, 배출 가스 도관(6)이 각각의 오목부(3)에서 시작되어 반대쪽의 종방향 측부(4'')에 이르며, 배출 가스 도관(6)을 통하여, 연소 공정 중에 축적된 배출 가스가 내연 체임버의 연소 체임버로부터 방출된다. 흡기 포트(5)의 개구부(7) 및 배출 가스 도관(6)의 유입 개구부(8)는, 연소 공정의 진행에 따라, 간명화를 위하여 도면에 도시되지 않은 각각의 밸브에 의하여, 본질적으로 공지되어 있는 방식으로 개방되거나 폐쇄된다.
연소 공정의 결과로서 작동 중에 발생한 열을 방산하기 위하여, 실린더 헤드(1)는, 본질적으로 또한 공지되어 있는 방식으로, 작동 중에 냉각제가 흐르는 냉각 도관(9)에 의하여 관통되어 교차된다.
배출 가스 도관(6)을 둘러싸는 배출 가스 도관(6)의 내측 표면(10)은, 유입 개구부가 개방되었을 때에, 배출 가스 도관(6) 내로 높은 유동 속도로 흐르는 고온 배출 가스에 의하여, 특히 유입 개구부(8)에 연결된 영역에서 작동 중에 높은 열적 및 기계적 부하에 노출된다.
이러한 부하에 대하여 보호하기 위하여, 내측 표면(10)은 얇은 에나멜 피막(11)으로 코팅되며, 그 두께는 평균적으로 400μm이고, 에나멜 피막은 배출 가스 도관(6)의 전체 길이에 걸쳐서 내측 표면(10)을 덮는다.
에나멜 피막(11)은, 필요한 피막 두께에 대응하여, 1회 이상의 공정으로, 에나멜 슬립으로 이루어진 하나 이상의 피막을 소성함으로써 형성되었는데, 에나멜 피막을 형성하기 위하여, 배출 가스 도관(6)을 에나멜 슬립으로 침액시켜 내측 표면(10)에 180μm의 두께로 에나멜 슬립을 도포하였고, 아직 습윤된 상태(damp state)에서 520oC의 소성 온도에서 소성하였다. 이러한 방식으로 얻어진 에나멜 피막은, 예를 들면 대략 120μm의 두께를 나타낸다.
에나멜 슬립을 제조하기 위하여,
25μm의 평균 직경을 갖는 글라스 입자로 이루어진 글라스 분말 100.0 중량부,
100μm의 평균 직경을 갖는 조대 글라스 입상체 20.0 중량부,
300μm의 평균 길이를 갖는 탄소 섬유 0.5 중량부,
100μm의 평균 직경을 갖는 알루미늄 산화물 입자 15.0 중량부 및
V2A 고급 강으로 이루어지고 입자의 평균 직경이 평균적으로 50μm인 분말 3.0 중량부가
함께 혼합되어 에나멜 분말이 형성되었으며, 이어서 38.0 중량부의 탈염수로 처리되어 에나멜 슬립으로 제조되었다. 각각의 구성물들은 이러한 목적으로 함께 분쇄되었으며, 예를 들면 재료의 특성을 고려하여 각각의 구성물을 첨가하기 위한 시점을 선택함으로써, 분쇄 공정의 종료 시에 각각의 구성물들이 갖는 입자 크기가 결정되었다.
이러한 방식으로 혼합된 에나멜 슬립의 도포는 침액에 의해 실시되었으며, 이에 선행하여 실시된 표면 처리에 있어서는, 내측 표면(11)이 열적 또는 화학적으로 탈지된 후에 화학적으로 부동태화되었고, 실린더 헤드(1)의 Al 주조 재료와 대기 산소 사이의 접촉에 기인하여 내측 표면에 형성되어 있던 산화물 층은 내측 표면(11)의 의도적 조면화 공정에 의하여 추가로 파쇄되었다.
1: 실린더 헤드 2: 접촉 표면
3: 연소 체임버 오목부 4', 4'': 종방향 측부
5: 흡기 포트 6: 배출 가스 도관
7: 흡기 포트(5)의 개구부 8: 배출 가스 도관(6)의 유입 개구부
9: 냉각 도관 10: 배출 가스 도관(6)의 내측 표면
11: 에나멜 피막

Claims (15)

  1. 에나멜 피막(11)을 제조하기 위한 에나멜 분말로서,
    - 글라스 분말 100 중량부,
    - 글라스 분말 입자보다 크며, 평균 직경이 40μm 내지 500μm인 조대 글라스 입상체 10 중량부 내지 22 중량부,
    - 세라믹 섬유, 글라스 섬유 또는 탄소 섬유 0.1 중량부 내지 7.5 중량부 및
    - 서로 대안적이거나 서로 조합된
    - 경금속의 분말형 산화 화합물 10 중량부 내지 21 중량부, 또는
    - 중금속의 분말 1 중량부 내지 5 중량부를
    포함하는 혼합물로서 존재하는 것을 특징으로 하는 에나멜 분말.
  2. 청구항 1에 있어서,
    경금속의 산화 화합물은 알루미늄 산화물인 것을 특징으로 하는 에나멜 분말.
  3. 청구항 1에 있어서,
    조대 글라스 입상체는 에나멜 분말과 동일한 조성을 갖는 글라스 재료로 구성되고, 조대 글라스 입상체의 물성은 에나멜 분말로부터 제조된 에나멜 피막의 물성에 대응하는 것을 특징으로 하는 에나멜 분말.
  4. 청구항 1에 있어서,
    산화 화합물의 용융 점은 1000oC보다 높은 것을 특징으로 하는 에나멜 분말.
  5. 에나멜 피막이 제공된 표면 구획(10)을 구비하는 금속 부품에 있어서,
    금속 부품은 표면 구획 상에 에나멜 피막(11)으로 코팅되어 있고, 에나멜 피막(11)은 청구항 1에 따라 구성된 에나멜 분말로부터 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 부품.
  6. 청구항 5에 있어서,
    에나멜 피막(11)의 팽창 계수는, 에나멜 피막(11)으로 코팅된 표면 구획(10) 내의 금속 부품의 팽창 계수보다 작은 것을 특징으로 하는 금속 부품.
  7. 청구항 5에 있어서,
    금속 부품은 경금속 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 부품.
  8. 청구항 5에 있어서,
    에나멜 피막(11)이 제공된 표면 구획은 가스 도관(6)의 내측 표면(10)인 것을 특징으로 하는 금속 부품.
  9. 청구항 7에 있어서,
    금속 부품은 내연 엔진용 실린더 헤드(1)인 것을 특징으로 하는 금속 부품.
  10. 청구항 5에 있어서,
    에나멜 피막(11)이 제공된 표면 구획은 금속 부품의 외측에 위치하는 것을 특징으로 하는 금속 부품.
  11. 금속 부품을 제조하기 위한 방법으로서,
    - 금속 부품을 제공하는 단계,
    - 코팅될 금속 부품의 표면 구획에, 청구항 1에 따라 구성된 에나멜 분말과 슬립 수단을 이용하여 형성된 에나멜 슬립을 도포하는 단계 및
    - 금속 부품을 구성하는 재료의 용융 온도보다 낮은 온도에서 에나멜 슬립을 소성함으로써, 에나멜 피막(11)을 제조하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 금속 부품을 제조하기 위한 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    기계적 물성의 설정을 위하여 금속 부품에 실시되는 열 처리 중에, 에나멜 슬립이 소성되는 것을 특징으로 하는 금속 부품을 제조하기 위한 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    에나멜 슬립을 소성한 후에, 금속 부품에는, 형성된 에나멜 피막(11)이 제공된 표면 구획의 영역 내에 기계 가공이 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 부품을 제조하기 위한 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    에나멜 피막(11)으로 코팅될 금속 부품의 표면 구획(11)에는, 에나멜 슬립의 도포 전에, 표면 구획이 탈지 및 부동태화되고 표면 구획에 존재하는 표면 근방 산화물 층이 분쇄되는 표면 처리가 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 부품을 제조하기 위한 방법.
  15. 삭제
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